一種定量測定沙丘向丘間地水分供給量的觀測裝置及方法與流程

本發明涉及沙丘區土壤水分運移過程的定量觀測，具體的說是一種定量測定沙丘向丘間地水分供給量的觀測裝置及方法。

背景技術：

沙丘－丘間地之間的水分交流過程一直是沙地水文過程研究的難點問題，很多研究者通過多種方法進行研究探索，但一直未能產生明確的研究結果。因二者之間水分的交流過程存在明顯的觀測難度，特別是沙丘體內的深層入滲水量的觀測，以往在土壤水分滲漏補給研究方法和手段上，多采用環刀法、雙環刀法、蒸滲儀法、人工模擬降雨法、土柱法、水分通量法及示蹤法等，并通過數學建模推算降雨對土壤的滲漏補給水量，缺少用于直接監測土壤滲漏水量的計量儀器。目前應用較為廣泛和計算較為簡便的水通量法能較為準確地推算降雨入滲補給量，但需要詳細和較大范圍的土壤水勢與土壤含水量資料，在實際當中獲取難度較大，而且在推算中忽略了溫度對土壤水運動的影響，造成了水分通量法的計算誤差；地中蒸滲儀法可直接測量補給量，但造價昂貴不易進行多地較大空間尺度上的觀測研究；同位素示蹤法是目前研究地下水補給較好的研究方法，但只能進行間接估算，而且不利于獲得小時間尺度上高精度結果和反映補給的動態變化過程。現有的研究方法在準確估算滲漏補給量及其動態變化上仍存在不同程度的缺陷，主要涉及以下幾個方面：無法直接觀測入滲量、結果受到環境影響而誤差較大、設備造價昂貴、通過間接推導獲得結果等。。針對土壤水分入滲觀測方法問題，我們參考了以往土壤水分入滲觀測技術，提出了沙區土壤深層水分入滲觀測方法，采用該方法可以有效實時觀測土壤深層水分入滲過程，并可準確測定沙丘－丘間地之間的淺層土壤水分側向運移過程，為沙丘－丘間地鑲嵌體土壤水分平衡提供了有效技術支持。本項觀測技術可直接測量土壤入滲水量(指一段時間內在重力作用下入滲到某一深度土壤斷面的水量)，儀器采用數字化自動記錄方式，可進行連續觀測，對沙地降雨對深層土壤水分滲漏補給過程進行實時監測，定量分析補給水量的時空變化規律，認識深層滲漏補給過程、準確評價地下水補給資源和地下水動態平衡。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明通過設置沙丘土壤水分深層入滲收集裝置、沙丘－丘間地間土壤水分側向入滲收集裝置，定量測定沙丘向丘間地的水分傳輸數量，明確沙丘對丘間地的水分供給數量。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種定量測定沙丘向丘間地水分供給量的觀測裝置及方法。

一種定量測定沙丘向丘間地水分供給量的觀測裝置，包括：

土壤深層水分入滲觀測裝置，包括匯水筒、漏斗以及自計式雨量計；埋于沙丘坡面土壤中，用于收集土壤中水分垂直入滲量并通過數據采集線輸出給數據采集儀；

土壤深層及側面水分入滲觀測裝置，包括弧形阻水板、匯水筒、漏斗以及自計式雨量計；埋于沙丘坡面土壤中，用于收集土壤中水分垂直入滲量和側滲量并通過數據采集線輸出給數據采集儀。

所述匯水筒為金屬材質、圓筒狀，直徑為D米、高度為H₁米，底部與漏斗上邊沿無縫隙焊接，用于阻擋匯水筒內的土壤中水分橫向流失。

所述漏斗為金屬材質，直徑為D米、高度為H₂米，最下方與自計式雨量計連接，用于將其內部土壤中水分引流入自計式雨量計。

所述弧形阻水板為金屬材質，半圓筒狀，直徑為D米、高度為H米，底部與匯水筒上邊沿無縫隙焊接，用于當土壤深層及側面水分入滲觀測裝置埋于沙丘坡面時，阻擋因坡面造成的土壤中水分側向流失。

所述自計式雨量計通過數據采集線連接數據采集儀，并且其底部開孔連接排水管，所述排水管上設置有排水閥；用于對其收集的水分進行測量，并接收數據采集儀輸出控制信號定時打開或者關閉排水閥排水或儲水。

所述自計式雨量計外面設置有保護套筒，用于保護自計式雨量計防水防凍。

所述D、H₁、H₂、H為設定參數值。

一種定量測定沙丘向丘間地水分供給量的觀測方法，包括：

土壤深層入滲觀測：

步驟1.1：第一年秋季，在選定的沙丘坡面上定點埋入土壤深層水分入滲觀測裝置，深度為H米，將數據采集線一端連接土壤深層水分入滲觀測裝置的自計式雨量計輸出端，另一端露于土壤表面；

步驟1.2：按照原來土壤層次復原填土，且在漏斗最下方往上20厘米處用粗砂填加，并施水進行沉降；

步驟1.3：從第二年春季至土壤凍結期止進行觀測，將數據采集儀連接露于土壤表面的數據采集線，通過數據采集儀設置觀測周期為12小時，實時采集12小時內的土壤中水分垂直入滲量M，并于當前觀測周期結束時，輸出控制信號給自計式雨量計的排水閥，排空自計式雨量計中水量，再關閉排水閥，重新觀測12小時內的土壤中水分垂直入滲量M；

沙丘－丘間地之間水分側向運移觀測：

步驟2.1：第一年秋季，在沙丘－丘間地分界線沙丘方向，比鄰分界線臨近位置下方土壤中埋設土壤深層水分入滲觀測裝置，深度為H米，將數據采集線一端連接土壤深層水分入滲觀測裝置的自計式雨量計輸出端，另一端露于土壤表面；

在沙丘－丘間地分界線沙丘方向，比鄰分界線臨近位置下方土壤中埋設土壤深層及側面水分入滲觀測裝置，使得土壤深層及側面水分入滲觀測裝置的弧形阻水板上邊沿與土壤地表平齊，將數據采集線一端連接土壤深層水分入滲觀測裝置的自計式雨量計輸出端，另一端露于土壤表面；

步驟2.2：按照原來土壤層次對土壤深層水分入滲觀測裝置、土壤深層及側面水分入滲觀測裝置進行復原填土，且均在漏斗最下方往上20厘米處用粗砂填加，并施水進行沉降；

步驟2.3：從第二年春季至土壤凍結期止進行觀測，將數據采集儀連接露于土壤表面的土壤深層水分入滲觀測裝置、土壤深層及側面水分入滲觀測裝置的數據采集線；通過數據采集儀設置觀測周期為12小時；通過土壤深層水分入滲觀測裝置實時采集12小時內的土壤中水分垂直入滲量M，通過土壤深層及側面水分入滲觀測裝置實時采集12小時內的土壤中水分垂直入滲量和側滲量之和M+R；于當前觀測周期結束時，輸出控制信號給上述兩個裝置的自計式雨量計的排水閥，排空自計式雨量計中水量，再關閉排水閥，重新觀測；

步驟2.4：通過數據采集儀檢測到12小時內的土壤中水分垂直入滲量為M、12小時內的土壤中水分垂直入滲量和側滲量之和為M+R；則12小時內的土壤中水分側滲量為R。

本發明具有以下有益效果及優點：

1.使用本發明的觀測裝置及方法可以直接觀測深層土壤水分入滲數量。

2.使用本發明的觀測裝置及方法的觀測結果較少受到環境因子的影響。

3.本發明的觀測裝置經濟實用，價格便宜，便于大量應用。

附圖說明

圖1為本發明中壤中入滲水量觀測裝置測定過程示意圖；

圖2為本發明中壤中水分入滲觀測裝置示意圖；

圖3(a)為本發明中沙丘壤中側滲水量觀測測定方法剖面示意圖；

圖3(b)為本發明中沙丘壤中側滲水量觀測測定方法平面示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。

本發明涉及沙丘區土壤水分運移過程的定量觀測，分別測定沙丘土壤水分的深層入滲量和沙丘向丘間地之間的側滲數量，明確沙區生態系統中沙丘對周邊丘間地的水分供給數量，為后續建立持續穩定的人工固沙植被建設提供理論依據。

如圖1所示，為本發明中壤中入滲水量觀測裝置測定過程示意圖。建立沙丘區的土壤水分深層入滲量收集裝置、沙丘－丘間地間土壤水分側向入滲收集裝置、收集水量的自動測量系統3個模塊。

壤中水分深層入滲觀測模塊，主要采用深層壤中截留觀測方法進行，本裝置我們已經進行了前期使用，效果較好。其觀測裝置如圖1所示，材料采用3mm厚度鐵皮制成，分為入滲水收集部分、水量測定部分、排水部分，詳細設計如下：利用漏斗型裝置收集壤中水分入滲(直徑100cm，深度70cm)，再匯集到其下方的改造過的自計式雨量計中，自動記錄其水量，在利用自計式雨量計的排水功能，將收集的水分向下排出，以便再次收集入滲水量循環測定。圖中箭頭為水分流動方向，壤中入滲水通過一個圓錐形容器匯集后，流入下方的裝有改裝的自計式雨量計的測定裝置內，經過測定后，排放到下方土壤中，循環往復測定一定時間內的壤中水分入滲數量。

如圖2所示，為本發明中壤中水分入滲觀測裝置示意圖。圖中，A為土壤深層入滲觀測裝置，B為加裝側向阻水板的入滲觀測裝置，用于測定坡面測滲。沙丘－丘間地坡面壤中側滲觀測模塊，在同時觀測臨近土壤中水分垂直入滲的同時，利用加裝阻水板的入滲觀測裝置，同時獲得臨近區的垂直入滲量和側滲量，利用二者之差獲得單獨的壤中側滲水量。

方法為：試驗開始前期，將各觀測裝置按照試驗要求深度和位置預先埋入觀測區土壤中，并按照原來土壤層次復原填土，并施水進行沉降及檢驗集水裝置，試驗設計在秋季進行上述試驗裝置的埋設工作，第二年春季生長季節開始試驗觀測。

土壤深層入滲觀測：在選定的沙丘坡面上設置土壤深層水分入滲觀測裝置，裝置埋深2.5m(固沙植物根系主要分別空間為2m以上土壤中)，自動記錄2.5m以下土壤深層水分入滲過程和數量，觀測時間從一般從春季(3月)開始，到土壤凍結期為止(11月)，數采儀設置為每12h觀測一次。

沙丘－丘間地之間水分側向運移觀測：圖3(a)為本發明中沙丘壤中側滲水量觀測測定方法剖面示意圖；圖3(b)為本發明中沙丘壤中側滲水量觀測測定方法平面示意圖。沙丘土壤水分除了深層入滲之外，還存在部分水分因沙丘坡度存在而產生的從沙丘體向丘間地壤中側向運移過程。為了觀測此部分水分運移，利用土壤深層入滲觀測裝置結合坡面橫向阻水板裝置，獲得坡面0-2.5m層土壤水分側向運移數量，具體方法為：在沙丘－丘間地分界線沙丘方向，比鄰分界線臨近位置下方土壤中分別埋設2種土壤水分入滲觀測裝置，即：利用常規深層入滲裝置觀測土壤水分的垂直入滲數量(M)，利用加裝弧形阻水板的深層入滲觀測裝置獲得壤中垂直入滲水量和側滲水量之和(M+R)，二者之差即為壤中側滲水量。由此我們獲得沙丘－丘間地之間的地下水位之上土壤中的坡面水分運移數量，測定時間與入滲觀測相同。